Архивная публикация 2005 года: "Инвентаризация планетарных дров"

В методах изучения Земли и ее недр произошла «бархатная революция». Прорыв совершила международная команда ученых, которой впервые удалось зафиксировать электронные антинейтрино, образовавшиеся при бета-распаде урана и тория внутри нашей планеты. Это позволило реально оценить тепло, которое выделяется при радиоактивном распаде в ядре Земли. Эксперимент проводился на установке KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) — большом нейтринном детекторе, смонтированном в глубокой шахте Камиоке на острове Хонсю (Япония). Ученые считают, что если покрыть подобными детекторами всю планету, то станет возможным использование нейтрино и антинейтрино для детального изучения внутреннего строения Земли, ее свойств, истории и перспектив развития.Коллектив экспериментаторов, работавших на KamLAND, не только замерил земной поток антинейтрино (раньше мерили приходящий из космоса), но и представил миру очень интересные цифры. Результаты измерений показали, что плотность этого потока составляет примерно 16,2 млн. антинейтрино в секунду на квадратный сантиметр поверхности Земли. Получилось, что распад урана до свинца, происходящий в недрах планеты, может генерировать от 24 до 60 тераватт тепловой энергии, где наиболее вероятным является все-таки первое значение. На самом деле термин «тераватт» означает простой триллион ватт, то есть цифру с двенадцатью нулями, но прижившийся в современных геологических науках по чисто лингвистическим причинам. «Нам впервые удалось провести непосредственные измерения радиоактивности Земли целиком», — заявил Джон Лернед, руководитель группы KamLAND в Университете штата Гавайи.

До сих пор о совокупной энергетической мощности земной «печки» геофизики судили лишь на основании анализа так называемых хондритов — метеоритов, состоящих из сферических частиц — хондр. Состав этих небесных тел дал возможность хотя бы приблизительно оценить доли урана и тория в массе Земли и предположить, что за счет радиоактивности Земли производится около 19 тераватт энергии, в то время как все остальные внутренние источники дают порядка 30—44 тераватт. Их список пока очень не полон, но среди общепризнанных факторов подогрева фигурирует приливное трение. Это когда Земля взаимодействует с Луной, провоцируя морские и океанические приливы. Они замедляют вращение планеты, и выделяется тепло.

Третьим известным современной науке источником является кристаллизация расплавленных железа и никеля на границе ядра и мантии. Минералоги и геохимики утверждают, что этот процесс идет с выделением огромного количества энергии, способного конкурировать с радиоактивным распадом.

С помощью нейтринных экспериментов на детекторе KamLAND появилась возможность «пощупать» термодинамику земных недр, реально измерить результаты процессов, происходящих на глубине 6 тыс. километров. Немаловажно и то, что теперь у геологов есть точные данные о том, сколько на планете содержится урана. Значит, они могут дать верный прогноз о длительности ядерного распада, подогревающего планету.

Там, где Солнце — не помощник

До сих пор обо всех этих процессах и явлениях геофизики составляли представление по самым что ни на есть косвенным признакам. Заглянуть внутрь не представлялось возможным, поскольку радиус Земли — более 6000 км, а самая глубокая, Кольская скважина равна 12 км. Так, о глубинном строении — делении нашей планеты на кору, мантию и ядро — судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые распространяются внутри Земли, преломляясь, отражаясь и затухая.

То же самое происходило и с изучением внутренних источников тепла. Есть, правда, Солнце, поставляющее нам энергии на три порядка больше, но половина ее отражается поверхностью Земли, а то, что остается, прогревает планету лишь на десятки метров. Так что без внутренних тепловых источников невозможно поддерживать нашу планету в нормальном, привычном состоянии. К примеру, может нарушиться ее магнитное поле. По сей день загадкой для ученых остается его происхождение, хотя почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо, то есть перемешивания вещества в земном ядре. За счет чего образуются кольцевые электромагнитные вихри. Они защищают планету от потоков заряженных частиц — солнечного ветра, то есть без них жизнь на земном шаре погибла бы, едва зародившись.

Тепло ядра влияет и на потоки горячего металла в мантии, в свою очередь это определяет движение литосферных плит, форму континентов и океанов, а также место горных хребтов. «Тепло, выделяемое при распаде урана и тория, является источником конвекции вещества в мантии Земли, — заявляет участник эксперимента KamLAND Николай Толич, — и тем самым — тектоники плит и землетрясений. Полученный результат, а также дальнейшие измерения с использованием того же метода позволят обеспечить модели конвекции Земли корректными исходными значениями».

Однако не одним ураном подпитывается «ядерный реактор» внутри Земли. Свой вклад вносят изотопы тория, рубидия. А недавно ученые из Университета Бристоля Кристин Гессманн и Бернард Вуд развязали яростный научный спор о ведущей и определяющей роли радиоактивного калия, также присутствующего в ядре. Именно опыты на KamLAND помогут разрешить эту и подобные дискуссии, потому что нейтринный детектор способен дать ясный ответ на вопрос, какие именно химические элементы участвовали в радиоактивном распаде. Дело в том, что нейтрино и антинейтрино, происходящие от разных веществ, имеют различную энергию, которую и теоретически, и практически можно вычислить заранее. Уже сейчас ученым с помощью детектора KamLAND удалось выделить нейтрино, образующиеся при распаде урана и тория, и космические нейтрино, которые в основном рождаются от превращения водорода в гелий внутри звезд и при взрывах сверхновых.

Во глубине японских руд

Проблема с измерением нейтрино заключается в том, что частица не имеет заряда и обладает мизерной массой, поэтому она носится с огромной скоростью, близкой к скорости света, проникая через любые виды материи. А обнаружить ее с помощью обычных детекторов невозможно. Да и с помощью «необычных» — тоже затруднительно. Достаточно сказать, что промышленный атомный реактор мощностью 300 мегаватт испускает порядка 1013 частиц в секунду. Но фиксируются приборами лишь единицы. Недаром сегодня в мире есть только пять детекторов, способных уловить нейтрино. Самый мощный из них — Antarctic Mion and Neutrino Detector Array — покоится подо льдами Антарктиды, а остальные четыре расположены глубоко в горах, как итальянский INFIN и Баксанская нейтринная обсерватория в Кабардино-Балкарии, и заброшенных шахтах — канадская лаборатория в Садбери и японская в Камиоке. Создание последней много лет назад инициировал физик Масатоши Кошиба. 23 февраля 1987 года, во время вспышки сверхновой 1987a, детекторсмог зарегистрировать поток нейтрино, прилетевший к нам из соседней галактики — Большого Магелланова Облака. Детектор «поймал» 12 нейтрино из 1016, прошедших сквозь него. И это был неплохой результат. Работы Масатоши Кошиба и его американского коллеги Рэймонда Дэвиса, который, кстати, заразился изучением нейтрино на стажировке в Баксанской обсерватории, привели к целой серии открытий и создали новое поле деятельности для астрономов — нейтринную астрофизику.

С тех пор работы в Камиоке никогда не прекращались, одни поколения детекторов сменяли другие, служа разным научным целям. Вот и последняя модель — KamLAND — первоначально использовалась учеными для регистрации нейтрино от японских и южно-корейских АЭС. Но тут ученых буквально осенило: чтобы ловить элементарные частицы, идущие из земных недр, нужно просто перевернуть прибор вниз «головой». Эксперимент явно пригодится в практической жизни. К примеру, как указывает глава центра изучения нейтрино при Университете Тохоку Ацуто Судзуки, он позволит выявить источники тепловой энергии в любом месте земного шара. Это же новая эра в геологической разведке и добыче раиоактивных элементов.

Второе и главное назначение детекторов типа KamLAND — сейсморазведка, определение мест новейших тектонических подвижек, предсказание землетрясений. На родине KamLAND это особенно актуально, ведь речь идет о жизни людей в сейсмоопасном регионе. Ясно, что Страна восходящего солнца на своих гражданах экономить не будет.

Мелкие, но необходимые

На нейтрино многие сделали научное имя и даже получили несчетное количество Нобелевских премий. И немудрено. Ведь без этой мизерной частички совершенно не сходился баланс вещества и энергии во Вселенной. Так, ученые знали, что при расщеплении атомного ядра образуются протоны и нейтроны, но количество выделяющейся при этом энергии каждый раз оказывалось меньше расчетной.

Загадочная частица, названная нейтрино, была предсказана в начале 30-х годов швейцарским физиком Вольфгангом Паули (Нобелевская премия 1945 года). Его главная научная заслуга заключается в том, что он взял на себя смелость постулировать ее электрическую нейтральность и малую массу, обеспечивающую частице всепроникающие способности. Согласно легенде название ей придумал гениальный Энрико Ферми, который присутствовал на докладе Паули и воспротивился неуклюжему термину «маленькие нейтроны». «Да зовите ее нейтрино!» — воскликнул Ферми, используя родной итальянский уменьшительно-ласкательный суффикс «ино». Получилось что-то вроде «нейтрончика». Термин прижился. Предвидение Паули сбылось. Оно подтвердилось в блестящем опыте, законченном в 1957 году американскими физиками Райнесом и Коуэном (Нобелевская премия 1955 года). Ученые «поймали» нейтрино в огромном сцинтилляционном счетчике — цистерне с содержащим водород веществом — и зарегистрировали частицу. За 50 прошедших с тех пор лет никто ничего принципиально лучшего не придумал.